中小河流生态治理河道断面优化

赵宝平

（中国安能集团第三工程局有限公司重庆分公司，重庆401307）

我国是世界上河流最多的国家之一。目前我国南方受雨水季节的影响，中小河流常受到雨水冲刷的影响，导致河道冲刷和破损严重，引发洪水泛滥，造成村庄居民的房屋及财产受到损失，同时破坏周边的生态环境［1］。如何有效地治理中小河流，是当前急需解决的一个问题。但目前我国中小河流生态治理方式出现生态形式和功能多样，比如护坡和挡墙形式，随意性较大，未能体现生态治理和优化治理的理念，同时增加中小河流治理的成本。因此，在中小河流治理过程，有必要结合生态文明理念，以降低治理成本为落脚点，研究中小河流治理的优化方案。本文通过这一系列研究，制定、量化和确定现实中的中小河流管理标准，更好实施了中小河流的生态管理。

1 中小河流生态治理现状

经过几年的发展和完善，管理中小河流的目标和理念已逐渐成为我国生态管理的总体目标之一。我国南方中小河流生态治理标准从目前治理现状来看，标准不统一，形式单一，不利于我国中小河流生态治理的健康发展。通过实地调查局部地段中小河流水系，对调研区域的中小河流的治理现状及周边生态情况进行分析，总结中小河流的治理措施及存在的问题，为经济分析奠定基础。

1.1 调研内容

通过对赣州至广东鹤山市水系沿线的中小河流治理现状进行调研，调查具有代表性的城镇中小型河流的名称、管理河流的长度、平均河底宽度、流量、垂直减少率以及竣工后的综合评价。通过调查中小河流的河道地貌、治理方式及周边的生态环境，分析河道治理特点及存在的问题。

1.2 调研概述

1.2.1 调研范围

以江西省赣州市于都县和广东省鹤山市中小型河道整治工程为研究对象。先后考察了几十个中小型河道整治工程所在的乡镇，根据各乡镇的中小河流治理的特点及现状，重点选取两个具有代表性的乡镇河流进行分析，分别为银坑镇河流和新陂乡河流。

1.2.2 调研区简述

（1）银坑镇河流概况

银坑镇位于于都北部，总面积170.88 km2。受地壳运动的影响，银坑镇西北部形成了平缓的高山，东部地势平缓，中部为长条形盆地。在与村民的调查和讨论中，了解到镇上建立了一个水厂，作为为生活用水引入河流沿岸的居民。但原岩前河受到泥沙淤积的污染，岸坡又松又滑，不能用作生活用水。水流质量下降，影响居民的健康生活，同时河道生态治理混乱，不能满足生态治理要求［2］。

（2）新陂乡河流概况

该乡镇位于于都县，新陂乡河流年蒸发量约1200 mm。通过现场调研，该区域河流宽度大，三分之一的河道被潮汐平原占据。河道内杂草丛生，河道两侧采用挡墙结构，两岸植被绿化繁盛，但整体缺乏规划和治理，生态环境近年来逐渐出现恶化。河流漫水高度逐年上涨，已逐步破坏周边的自然生态。

1.3 中小河流治理情况汇总

通过调研，中小河流的治理范围主要集中在城镇。河的左右两边大部分是街道和农田。河底宽度在4 m～100 m之间。河道的断面形式基本采用梯形形状，该形式开挖方便，但需占用较大面积。据统计，梯形部分的大部分斜率是1∶2～1∶3。对于未采取防护措施的河岸，部分天然河岸边坡采用干石挡土墙和草坪护坡。既有工程原部分采用干石边坡加高加厚处理，取代生态复式断面。

1.4 中小河流治理存在的问题

（1）距离生态治理的目标还存在一定的差距，甚至违背生态治理理念。

（2）河道整治工程断面设计存在问题。大部分的设计都是基于经验，在断面设计时存在较大的随意性。

（3）河段边坡治理一般采用多段多形式生态护坡相结合的方法。但调查发现，横断面边坡防护形式单一，大部分采用同一类型的边坡防护。

（4）对不符合防洪标准的河道需要加高处理时，往往较多的依靠经验，在原堤坝位置直接加高，没有对河道的加高高度进行经济分析。

通过对江西赣州于都县和广东鹤山市治理现状的调查，可以了解治理部门的现状和存在的问题。调查该区域中小河流的现状，同时对常用的河段形式、河坡和横断面护坡形式进行总结。在河道断面管理过程中，设计断面未采用经济分析，断面设计盲目依据经验。结果形成单一的断面、单一的坡面和单一的护坡形式，不利于中小河流的生态管理要求。

2 基于经济分析的生态治理河道断面优化

在中小河流河道治理的方式中，通常采用河道护坡治理方式单一，一般考虑的是最佳水利断面。但在生态治理要求下，只考虑最佳水利对河道治理断面进行设计，无法实现目标要求，需采用复合断面形式。

2.1 生态治理复合断面

复合断面形式，如在坡脚等容易变形和侵蚀的地方放置石笼和其他强化防冲生态材料，并对长期低于正常水位的再生块体和生态袋进行保护。可选择生态护坡材料，例如美人蕉、荔枝等多色植物可以种植在正常水位以上的岸坡上，亲水效果好。生态处理复合段可根据河段不同部位选择合适的生态护坡形式。

2.2 生态复式断面经济优化研究

2.2.1 优化目标函数建立

目标函数的建立以单位工程造价为研究目标，主要包含河道开挖费用、河道两侧护坡费用（分水面上和水面下两部分）。具体参数见图1。

图1 梯形河道断面模型

优化目标函数表示如下：

式中：C1为水下生态护坡单价，元/m3；C2为水上生态护坡单价，元/m3；C3为河道开挖土方单价，元/m3；Vw为河道断面开挖土方量，m3。

2.2.2 优化求解

式中：b为底宽；m为边坡系数。

2.2.3 SQP算法

SQP法是求解约束条件下优化的最有效的算法之一。

约束条件：

式中：Q为定值；i为底坡；n为粗糙系数。

与目标函数（2）联立。

2.3 实例分析

本次调研的中小河流单位长度内各分项工程单价如建模参数见表1。

表1 建模参数表

当流量为38 m3/s时，正常水深h为3.52 m，安全超高为1 m，整个河道断面高程为4.52 m，岸坡长度7.52 m。

当流量增加到60 m3/s时，水深h为4.44 m，安全超高为1 m，此时原堤顶加高1.25 m，此时岸坡长度9.25 m。工程造价由常水位以下砼护坡加上常水位以上草皮护坡及堤顶填方组成，假设堤顶填方宽度为3 m，未优化河道单位长造价fc=7.7×56×2+70×1.12×2+3×8×2=1067.2元。

当流量同样为60 m3/s时，优化后底宽b为4 m，边坡m为0.63，岸坡长度6.58 m，其中常水位以下砼护坡4.9 m，常水位以上草皮护坡0.63 m。优化后单位长度河道治理造价fc=868.88元。

河道优化前和优化后断面，见图2。

图2 河道优化前和优化后断面（尺寸单位：m）

通过优化设计，改变中小河流的传统断面形式，满足了河流的防洪和生态要求，单位长度的河道治理单价降低了198.32元，优化效果显著。

3 结论

通过调研赣州于都至广东鹤山沿线水系，可以得出，以往的河道治理断面设计往往基于经验的基础上开展，缺乏一定的科学性和合理性，不满足河道生态治理的要求。本文从经济性为出发点，在满足生态治理的要求下，对多形式下的河流断面进行优化分析。研究出了河流生态治理复合断面成本优化方法，虽然在影响因素考虑方面还有所欠缺，但对中小河流的生态治理具有一定的参考性。